Поляризационные плёнки для видимого диапазона спектра с наноструктурированной поверхностью на основе наночастиц кварца

Настоящее изобретение относится к области оптического приборостроения, лазерной, телекоммуникационной, дисплейной и биомедицинской техники, а также полезно при использовании в приборах защиты глаз сварщиков, защитных шторок пилотов самолетов, при использовании жидкокристаллических модуляторов света, дисплеев, переключателей лазерного излучения, функционирующих в скрещенных поляроидах - поляризационных пленках. Устройство представляет собой структуру, состоящую из пленки иодированного поливинилового спирта (ПВС) и нанесенных с двух сторон наночастиц кварца. При функционировании данного устройства предлагается использовать поляризационные пленки как в параллельном, так и в скрещенном положении в зависимости от необходимости получения изначально светлого или черного поля. Технический результат - увеличение поверхностной механической прочности и микротвердости.

Изобретение относится к области оптоэлектроники, в частности к конструкции дисплейных элементов, визуализаторов биообъектов на основе эритроцитов крови человека и ДНК в оптических микроскопах, к конструкции электро- и светоуправляемых жидкокристаллических пространственно-временных модуляторов света (ЖК-ПВМС), ограничителей и переключателей лазерного излучения, к конструкции очков для сварщиков и пилотов самолетов, др. [1-3], а также может быть рассмотрено как поляризационный элемент нового поколения с наноструктурированной поверхностью, позволяющей избежать процесса запрессовывания тонких пленок в силикатные стекла и их ламинирования.

Известно, что функционирование поляризационного элемента связано с поперечностью электромагнитных волн. Основа работы такого поляризационного устройства обусловлена его способностью пропускать одну из компонент естественного света, параллельную оси поляризатора, и задерживать другую, ортогональную компоненту. Известны объемные поляризаторы (призмы Глана, Томпсона, Аренса, др.) и тонкопленочные. Известны, к примеру, два способа создания тонкопленочных поляризационных устройств. Первый основан на напылении металлических полос на полимерную основу и отражает и пропускает падающее излучение разной поляризации, соответственно. Второй основан на создании, например, полимерных йодно-поливиниловых поляризационных пленок, пропускающих, соответственно, параллельную компоненту падающего света и поглощающих - ортогональную компоненту. Таким образом, принцип действия йодно-поливинилового пленочного поляризатора основан на дихроизме поглощения анизотропных комплексов ПВС-йод.

Для предотвращения царапин и изгибов полимерной поляризационной пленки обычно ее заклеивают между стеклянными поверхностями (силикатное стекло, например, крон К8) или запрессовывают в триацетатцеллюлозу. Это позволяет сохранить форму пленок, избежать изгибов и царапин на поверхности, что немаловажно в оптоэлектронных схемах для снижения аберраций в оптических каналах и получения неискаженного сигнала при работе дисплейных пикселей и изображений объектов, изучаемых с помощью микроскопов.

Известна конструкция поляризационной пленки, выбранная в качестве аналога [4], содержащего в качестве поляризационного элемента пленку поливинилового спирта (ПВС), заклеенную между силикатными стеклами К8 с помощью акрилового клея или клея бальзамин-М. Поляризационная пленка функционировала в видимом диапазоне спектра с разным уровнем пропускания в зависимости от состава и условий синтеза. Недостатком данной конструкции поляризационной пленки явилось недостаточное пропускание параллельной компоненты света (на уровне 40%) в области 400-750 нм и плохая механическая прочность самой пленки, что вынуждало размещать ее между стеклами, увеличивая число границ раздела сред, а, следовательно, величину потерь Френеля на отражение. Это затрудняет применение устройства, выбранного в качестве аналога, в лазерных, телевизионных, дисплейных, микроскопических, др. системах.

Известна конструкция поляризационной пленки, выбранная в качестве прототипа [5], содержащего в качестве поляризационного элемента пленку сополимера ПВС, заклеенную в триацетатцеллюлозу, что позволяло обеспечивать высокую равномерность по толщине и плоскостности. Было достигнуто увеличение пропускания для параллельной компоненты света на уровне 40-55%, что выше, чем в поляризационной пленке, выбранной в качестве аналога. Недостатком данной конструкции пленочного поляризатора явилось недостаточное сопротивление деформируемости пленки, что снижало поверхностную механическую прочность, а также наличие нескольких границ раздела, что также вело к увеличению потерь на отражении, при многочисленных дефектах, при работе поляризатора.

Техническим результатом изобретения является дальнейшее повышение поверхностной механической прочности и микротвердости.

Указанный результат достигается наноструктурированием поверхности пленок наночастицами кварца. Указанный результат достигается тем, что нанесение на поверхность поляризационных пленок наночастиц кварца уменьшает число поверхностных дефектов, уменьшает число границ раздела и нивелирует свили в полимерной основе. В спектральной области длин волн 400-750 нм пленки обеспечивают пропускание параллельной компоненты света на уровне 55-70%. Повышение поверхностной механической прочности и микротвердости обусловлено заполнением рыхлой полимерной основы наночастицами кварца, что обеспечивает упрочнение поверхности за счет встраивания в поверхность трудноразрушимых кварцевых наночастиц. Замена ламинирования поляризационных пленок при их заклеивании в стекло К8 или запрессовывании в триацетатцеллюлозу процессом лазерного нанесения ориентированных в электрическом поле кварцевых наночастиц обеспечивает отсутствие царапин и дефектов на поверхности пленок, что делает их более функционально пригодными в лазерных системах коррекции аберраций, дисплейной и биомедицинской технике.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая поляризационная пленка отличается тем, что для сохранения пропускания в видимом диапазоне спектра используется тот же состав иодированного поливинилового спирта, но для увеличения поверхностной механической прочности и микротвердости используется наноструктурирование поверхности пленок наночастицами кварца путем их лазерного нанесения на поверхность пленок и ориентированием в электрическом поле. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлены общий вид поляризационной пленки, закрепленной в растяжную рамку (фиг. 1), зависимостями пропускания от длины волны для параллельной и ортогональной компонент (фиг. 2), а также сравнительными данными по изменению микротвердости (фиг. 3).

Итак, предлагаемая поляризационная пленка (фиг. 1) представляет собой однородную структуру, состоящую из слоя иодированного поливинилового спирта толщиной 60-80 микрометров и нанесенных на обе поверхности пленки слоя наночастиц кварца толщиной ~0.05 мкм, осаждаемых в вакууме лазерным способом при приложении ориентирующего электрического поля напряженностью 100-600 В/см.

Измерения пропускания пленок без нанесения наночастиц кварца и при их нанесении на поверхность пленок показывают сохранение пропускания в видимой области спектра для параллельной компоненты света (фиг. 2, кривые 1 и 2) и сохранение минимального пропускания для ортогональной компоненты света (фиг. 2, кривые 3 и 4).

Измерение прочностных характеристик (фиг. 3) показывают увеличение микротвердости в 2.6 раз.

Таким образом, йодно-поливиниловые поляризационные пленки делались по традиционной технологии с учетом новизны, связанной с наноструктурирование поверхности пленок наночастицами кварца. Сущность традиционной технологии заключается в растяжении при комнатной температуре увлажненной, немного поддубленной и йодированной в растворе йода с йодистым калием поливиниловой пленки из высокомолекулярного поливинилового спирта. Для поставленной цели используется высокомолекулярный ПВС с малым содержанием ацетатных групп. Отфильтрованный и отстоявшийся раствор ПВС разливается на чистые полированные (без царапин и оптических дефектов) стекла, помещенные на столики в специальном сушильном шкафу. Стекла нивелированы по уровню. После высыхания пленки снимаются со стекол. Проводится увлажнение заготовок поливиниловых пленок в парах воды в закрытом сосуде при комнатной температуре. Далее осуществляется дубление увлажненных заготовок поливиниловых пленок в растворе борной кислоты при комнатной температуре, а затем - окрашивание поддубленных заготовок поливиниловых пленок в водном растворе йода с йодистым калием при соотношении: J₂/KJ=1/1.1. Технологический процесс ведется при комнатной температуре. Времена дубления и йодирования подбираются экспериментально для достижения требуемых параметров поляроидов. Растяжение увлажненной и окрашенной поливиниловой пленки в специальной растяжной машине с ручным приводом при комнатной температуре до величины растяжения не менее 3.5 раз по отношению к начальной длине пленки, закрепленной для растяжения. Сушка поляризационной пленки в растянутом состоянии в специальных растяжных рамках при комнатной температуре. После сушки получается эластичная поляризационная пленка серого цвета, поляризующая свет в широкой области спектра 280 -800 нм.

Сущность новизны в технологическом цикле заключается в наноструктурировании поверхности йодно-поливиниловой поляризационной пленки наночастицами кварца. Для этого используется лазерное осаждение наночастиц кварца при применении р-поляризованного излучения СО₂-лазера на длине волны 10.6 микрометров, а также ориентирование осаждаемых углеродных нанотрубок в электрическом поле напряженностью 100-600 В/см.

Указанное усовершенствование в применении наноструктрирования поверхности поляризационных пленок, ранее используемое при применении углеродных нанотрубок для модификации проводящих оксидных слоев дисплейных элементов, модуляторов света для увеличения лазерной и механической прочности проводящих слоев [6], а также для структурирования поверхности поляризаторов углеродными нанотрубками [7], привело к сохранению пропускания йодно-поливиниловых поляризационных пленок в видимой области спектра для параллельной компоненты света и увеличению поверхностной механической прочности и микротвердости поляризационных пленок, предотвращающее деформируемость пленок - за счет встраивания в поверхность трудноразрушимых наночастиц кварца.

Указанное усовершенствование позволило расширить область применения пленок в системах записи-считывания оптической информации, переключения потоков излучения, др. в телекоммуникационных, дисплейных и биомедицинских системах и комплексах.

Источники информации:

1. Васильев А.А., Касасент Д., Компанец И.П., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света, - М.: Радио и связь. 1987, 320 с.

2. Жаркова Г.М., Сонин А.С. Жидкокристаллические композиты. Новосибирск: ВО "Наука", 1994. 214 с.

3. Каманина Н.В., Сомс Л.Н., Тарасов А.А. «Коррекция фазовых аберраций голографическим методом с применением жидкокристаллических пространственных модуляторов света», Оптика и спектроскопия, т. 68, №3, с. 691-693, 1990.

4. Савко С.С., Игольникова Л.М. «Влияние солнечного облучения на стабильность поляризационных светофильтров», Оптико-механическая промышленность, №1, с. 6-9б 1981.

5. Виноградова О.В., Гапоненко И.М., Налбандян Ю.Е., Савко С.С., Студенов В.И., Учанов Ю.Е. «Повышение термо- и влагостойкости поляризационных пленок», Оптико-механическая промышленность, №11, с. 41-43, 1989.

6. Каманина Н.В., Васильев П.Я. «Перспективы использования прозрачных проводящих покрытий с фуллеренами и нанотрубками для дисплейных элементов нового поколения», Письма в ЖТФ, т. 33, вып. 18, с. 8-13, 2007.

7. Каманина Н.В., Лихоманова С.В., Васильев П.Я., Студёнов В.И., Чернозатонский Л.А., Ваганов В.Е., Мишаков И.В.. «Изменение поверхностных свойств тонкопленочных поляризаторов с углеродными наноструктурами», Письма в ЖТФ, Т. 37, вып. 24, с. 49-56, 2011.